本發(fā)明涉及一種靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種柵極耦合式(gate-coupled)晶體管的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

為了保護(hù)集成電路免于受到靜電放電現(xiàn)象的破壞，建構(gòu)于芯片上的靜電放電防護(hù)電路成為芯片中必要的元件。在現(xiàn)有的技術(shù)領(lǐng)域中，多指狀(multi-finger)結(jié)構(gòu)晶體管常用在靜電放電防護(hù)電路中。在靜電放電防護(hù)的過程中，多指狀結(jié)構(gòu)晶體管常因為導(dǎo)通不均勻的狀態(tài)而降低了其靜電放電的防護(hù)能力。而所謂的柵極耦合式晶體管常被應(yīng)用以防止上述的導(dǎo)通不均勻的狀態(tài)，并增加靜電放電防護(hù)電路的強(qiáng)韌度。

然而，在未能有效控制多指狀結(jié)構(gòu)晶體管的柵極電壓的情況下，現(xiàn)有的柵極耦合式晶體管的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)仍無法有效克服在靜電放電過程所產(chǎn)生的柵極過驅(qū)動現(xiàn)象，而造成經(jīng)常性的防護(hù)失效的問題。在深次微米制程以后的芯片中，由于采用更薄的柵極氧化層(gate oxide)以及更淺的接面(junction)深度，上述的靜電放電防護(hù)失效的問題更為嚴(yán)重。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供多種靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)部整合的曾納二極管來克服因柵極過驅(qū)動(over-gate-driven)現(xiàn)象所造成的靜電放電能力降低的問題。

本發(fā)明的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)包括主動區(qū)、多個柵極結(jié)構(gòu)、第一、二、三防護(hù)環(huán)以及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。柵極結(jié)構(gòu)覆蓋在主動區(qū)上，第一防護(hù)環(huán)環(huán)繞柵極結(jié)構(gòu)以及主動區(qū)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有相對應(yīng)的第一端及第二端，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第一端通過第一連接導(dǎo)線耦接?xùn)艠O結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第二端通過第二連接導(dǎo)線耦接第一防護(hù)環(huán)。第二防護(hù)環(huán)環(huán)繞半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)并電性連接第一連接導(dǎo)線。第三防護(hù)環(huán)環(huán)繞第二防護(hù)環(huán)，且電性連接第二連接導(dǎo)線。其中，第二防護(hù)環(huán) 與第三防護(hù)環(huán)的型態(tài)互補(bǔ)。

本發(fā)明的另一種靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)包括主動區(qū)、多個第一柵極結(jié)構(gòu)、至少一第二柵極結(jié)構(gòu)、第一、二防護(hù)環(huán)以及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。第一柵極結(jié)構(gòu)覆蓋在主動區(qū)上。第二柵極結(jié)構(gòu)連接第一柵極結(jié)構(gòu)，且第二柵極結(jié)構(gòu)的型態(tài)與第一柵極結(jié)構(gòu)的型態(tài)互補(bǔ)。第一防護(hù)環(huán)環(huán)繞上述的柵極結(jié)構(gòu)以及主動區(qū)，并耦接第二柵極結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有相對應(yīng)的第一端及第二端，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第一端通過第一連接導(dǎo)線耦接第一柵極結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第二端通過第二連接導(dǎo)線耦接第一防護(hù)環(huán)。第二防護(hù)環(huán)環(huán)繞半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)并電性連接第二連接導(dǎo)線。

基于上述，本發(fā)明通過在靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)中，通過內(nèi)部整合的方式，來建構(gòu)曾納二極管。通過所建構(gòu)的曾納二極管，可以有效的控制靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)中晶體管的柵極電壓，在不需要增加靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)的布局面積的條件下，克服因柵極過驅(qū)動現(xiàn)象所造成的晶體管導(dǎo)通不均勻的問題。

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2為本發(fā)明圖1所示實施例的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)100的等效電路200的示意圖；

圖3為本發(fā)明圖1所示實施例的線段A-A’的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)100的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明另一實施例的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖5為本發(fā)明圖4所示實施例的線段B-B’的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)400的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明再一實施例的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖7為本發(fā)明圖6所示實施例的線段C-C’的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)600的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明其他實施例的靜電放電結(jié)構(gòu)的等效電路圖。

附圖標(biāo)記說明：

100、400、600：靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)；

110、410、610：主動區(qū)；

G1～G4、G21、G22、G11～G14：柵極結(jié)構(gòu)；

GR1～GR3、GRG：防護(hù)環(huán)；

120、420、620：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；

D1～D5：參雜區(qū)；

CT11～CT51、CT1～CT6：連接結(jié)構(gòu)；

WIR1、WIR2：連接導(dǎo)線；

200、800：等效電路；

GND：參考接地電壓；

T1：晶體管；

ZD1：曾納二極管；

A-A’、B-B’、C-C’：線段；

VDD：操作電壓；

ESDI：靜電放電防護(hù)植入環(huán)。

具體實施方式

請參照圖1，靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)100包括主動區(qū)110、柵極結(jié)構(gòu)G1～G4、防護(hù)環(huán)GR1～GR3及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120。柵極結(jié)構(gòu)G1～G4覆蓋在主動區(qū)110上，防護(hù)環(huán)GR1環(huán)繞柵極結(jié)構(gòu)G1～G4以及主動區(qū)110。主動區(qū)110內(nèi)，包括多個分別與柵極結(jié)構(gòu)G1～G4交錯排列的參雜區(qū)D1～D5。參雜區(qū)D1～D5上分別可具有多個連接結(jié)構(gòu)CT11～CT41。

另外，防護(hù)環(huán)GR1通過連接結(jié)構(gòu)CT1與連接導(dǎo)線WIR2連接。柵極結(jié)構(gòu)G1～G4分別通過多個連接結(jié)構(gòu)CT2與連接導(dǎo)線WIR1連接。連接導(dǎo)線WIR1及WIR2分別通過連接結(jié)構(gòu)CT3及CT4耦接至半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120的兩個相對的端點上。并且，連接導(dǎo)線WIR1還通過連接結(jié)構(gòu)CT5耦接至防護(hù)環(huán)GR2，連接導(dǎo)線WIR2還通過連接結(jié)構(gòu)CT6耦接至防護(hù)環(huán)GR3。防護(hù)環(huán)GR1可以為P型防護(hù)環(huán)，并可以連接至參考接地電壓。

值得一提的是，防護(hù)環(huán)GR2環(huán)繞半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120，防護(hù)環(huán)GR3環(huán)繞防護(hù)環(huán)GR2，且防護(hù)環(huán)GR3通過其內(nèi)側(cè)與防護(hù)環(huán)GR2的外側(cè)相接觸。防護(hù)環(huán)GR2 及防護(hù)環(huán)GR3的型態(tài)是互補(bǔ)的，因此，防護(hù)環(huán)GR2與防護(hù)環(huán)GR3的接觸面，可以產(chǎn)生P-N接面。本實施例的防護(hù)環(huán)GR2是N型防護(hù)環(huán)，防護(hù)環(huán)GR3是P型防護(hù)環(huán)。

通過主動區(qū)110、參雜區(qū)D1～D5及柵極結(jié)構(gòu)G1～G4可以形成多個晶體管。將連接結(jié)構(gòu)CT11、CT31及CT51相互連接可以使參雜區(qū)D1、D3及D5連接在一起并形成晶體管的共同的源極(或漏極)。將連接結(jié)構(gòu)CT21及CT41相互連接可以使參雜區(qū)D2及D4連接在一起并形成晶體管的共同的漏極(或源極)。

此外，靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)100還包括防護(hù)環(huán)GRG。防護(hù)環(huán)GRG環(huán)繞在靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)100的最外圈，并區(qū)分出兩個布局區(qū)域，其中之一的布局區(qū)域用來布局主動區(qū)110、參雜區(qū)D1～D5以及柵極結(jié)構(gòu)G1～G4所形成的晶體管及防護(hù)環(huán)GR1，另一布局區(qū)域用來布局半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120及防護(hù)環(huán)GR2、GR3。防護(hù)環(huán)GRG除可隔絕晶體管與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120間的干擾外，還可使靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)100與外部電路有效的產(chǎn)生隔絕。

以下請參照圖1以及圖2，其中，圖2為本發(fā)明圖1所示實施例的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)100的等效電路200的示意圖。通過將參雜區(qū)D1、D3及D5耦接至參考接地電壓GND，并通過將參雜區(qū)D2及D4耦接至焊墊PAD，在圖1中由主動區(qū)110、參雜區(qū)D1～D5以及柵極結(jié)構(gòu)G1～G4所形成多個晶體管可等效于圖2中晶體管T1。圖1中的防護(hù)環(huán)GR2與防護(hù)環(huán)GR3的接觸面所形成的P-N接面，可等效于圖2中的曾納二極管ZD1。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120則可以是串接在晶體管T1的柵極以及參考接地電壓GND間的電阻。

依據(jù)圖2示出的等效電路200，曾納二極管ZD1可配合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120(電阻)來有效控制晶體管T1的柵極上的電壓值大小，并在靜電放電現(xiàn)象發(fā)生時，有效抑止柵極過驅(qū)動現(xiàn)象發(fā)生的可能性，提升在靜電放電防護(hù)的效能。

另外，曾納二極管ZD1是通過防護(hù)環(huán)GR2、GR3來產(chǎn)生的，也就是說，在不需要增加多余的半導(dǎo)體元件的前提下，本實施例有效的在晶體管T1的柵極與參考接地電壓GND間形成曾納二極管ZD1，并不會造成生產(chǎn)成本的增加。

請參照圖3，圖3為本發(fā)明圖1所示實施例的線段A-A’的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)100的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3中，兩組防護(hù)環(huán)GR2與GR3相互接觸配 置，并分別配置在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120的兩側(cè)。防護(hù)環(huán)GR2與GR3分別為N+及P+的防護(hù)環(huán)，因此，防護(hù)環(huán)GR2與GR3的接觸面間可產(chǎn)生P-N接面，并形成曾納二極管。

N+形態(tài)的防護(hù)環(huán)GRG還配置在兩組防護(hù)環(huán)GR2與GR3的外側(cè)，其中，防護(hù)環(huán)GRG耦接至操作電壓VDD。連接導(dǎo)線WIR2連接防護(hù)環(huán)GR3、防護(hù)環(huán)GR1以及參考接地電壓GND，并使曾納二極管的陽極端耦接至參考接地電壓GND。其中，防護(hù)環(huán)GR1配置在兩個防護(hù)環(huán)GRG間的外側(cè)。另外，連接導(dǎo)線WIR1連接至兩個防護(hù)環(huán)GR2、柵極結(jié)構(gòu)G4以及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120，并藉此將曾納二極管的陰極以及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)120耦接至晶體管的柵極端。

接著，請參照圖4，圖4為本發(fā)明另一實施例的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)的示意圖。靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)400包括主動區(qū)410、柵極結(jié)構(gòu)G11～G14以及G21、G22、防護(hù)環(huán)GR1、GR2以及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)420。柵極結(jié)構(gòu)G11～G14覆蓋在主動區(qū)410上，并且，柵極結(jié)構(gòu)G11～G14與柵極結(jié)構(gòu)G21、G22相接觸。其中，柵極結(jié)構(gòu)G11～G14的型態(tài)與柵極結(jié)構(gòu)G21、G22的型態(tài)互補(bǔ)。具體來說明，柵極結(jié)構(gòu)G11～G14可以是N+柵極結(jié)構(gòu)，柵極結(jié)構(gòu)G21、G22可以是P+柵極結(jié)構(gòu)。也就是說，通過N+柵極結(jié)構(gòu)G11～G14與P+柵極結(jié)構(gòu)G21、G22相接觸，可以等效產(chǎn)生曾納二極管。

防護(hù)環(huán)GR1環(huán)繞柵極結(jié)構(gòu)G11～G14、G21、G22以及主動區(qū)410。主動區(qū)410內(nèi)包括多個分別與柵極結(jié)構(gòu)G11～G14交錯排列的參雜區(qū)。

柵極結(jié)構(gòu)G11～G14通過連接導(dǎo)線WIR1相互耦接，并耦接至半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)420的一端。防護(hù)環(huán)GR1可通過多個連接導(dǎo)線WIR21以及連接導(dǎo)線WIR2分別耦接至柵極結(jié)構(gòu)G21及G22，并且，連接導(dǎo)線WIR2還耦接至半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)420的另一端。此外，連接導(dǎo)線WIR2另耦接至防護(hù)環(huán)GR2。

通過將不同極性的柵極結(jié)構(gòu)G21及G22與柵極結(jié)構(gòu)G11～G14相接觸，在柵極結(jié)構(gòu)G21及G22與柵極結(jié)構(gòu)G11～G14的接觸面上，將可形成P-N接面，并藉以產(chǎn)生曾納二極管。在防護(hù)環(huán)GR1另耦接至參考接地電壓的條件下，主動區(qū)410中形成的晶體管的柵極可耦接至曾納二極管的N極，而曾納二極管的P極則耦接至參考接地電壓。

防護(hù)環(huán)GRG環(huán)繞在靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)400的最外圈，并區(qū)分出兩個布局區(qū)域，其中之一的布局區(qū)域用來布局主動區(qū)410、柵極結(jié)構(gòu)G11～G14、G21、 G22以及柵極結(jié)構(gòu)G11～G14所分隔出的參雜區(qū)所形成的晶體管及防護(hù)環(huán)GR1，另一布局區(qū)域用來布局半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)420以及防護(hù)環(huán)GR2。

依上述說明，圖4所示實施例的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)400可以形成與圖2相同的等效電路200，因此圖4所示的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)400可具有與圖1所示的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)100相類似的效果。

為更清楚說明圖4所示的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)400，請參照圖5，圖5為本發(fā)明圖4所示實施例的線段B-B’的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)400的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，N+形態(tài)的柵極結(jié)構(gòu)G11的兩個側(cè)邊分別接觸P+形態(tài)柵極結(jié)構(gòu)G21及G22，并藉此形成P-N接面。柵極結(jié)構(gòu)G21及G22分別通過連接導(dǎo)線WIR21以及WIR2耦接至防護(hù)環(huán)GR1，防護(hù)環(huán)GRG配置在線段B-B’上的剖面結(jié)構(gòu)的兩側(cè)以環(huán)繞防護(hù)環(huán)GR1。防護(hù)環(huán)GR1為P+形態(tài)并耦接至參考接地電壓GND，而防護(hù)環(huán)GRG則為N+形態(tài)并耦接至操作電壓VDD。

請參照圖6，圖6為本發(fā)明再一實施例的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)的示意圖。靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)600包括主動區(qū)610、柵極結(jié)構(gòu)G1～G4、防護(hù)環(huán)GR1～GR3及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)620。與圖1實施例不相同的，本實施例防護(hù)環(huán)GR2、GR3間還具有靜電放電防護(hù)植入環(huán)ESDI。其中，靜電放電防護(hù)植入環(huán)ESDI的外環(huán)與防護(hù)環(huán)GR3相接觸，靜電放電防護(hù)植入環(huán)ESDI的內(nèi)環(huán)與防護(hù)環(huán)GR2相接觸。

請參照圖7，圖7為本發(fā)明圖6所示實施例的線段C-C’的靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)600的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。在圖7中，靜電放電防護(hù)植入環(huán)ESDI配置在防護(hù)環(huán)GR2及GR3間，并部分的包覆防護(hù)環(huán)GR2。靜電放電防護(hù)植入環(huán)ESDI用以增強(qiáng)靜電放電防護(hù)結(jié)構(gòu)600的靜電放電防護(hù)能力。

請參照圖8，圖8為本發(fā)明其他實施例的靜電放電結(jié)構(gòu)的等效電路圖。等效電路800中，除了在靜電放電結(jié)構(gòu)中內(nèi)嵌曾納二極管ZD1外，還可以通過串接多個二極管D1、D2在曾納二極管ZD1的陽極端以及參考接地電壓GND間，二極管D1、D2依序依順向偏壓的方式耦接在晶體管T1的柵極及參考接地電壓GND間。二極管D1、D2可用來調(diào)整曾納二極管ZD1的崩潰電壓。

綜上所述，本發(fā)明通過在靜電放電結(jié)構(gòu)中內(nèi)嵌曾納二極管，并通過曾納二極管的崩潰現(xiàn)象來控制靜電放電結(jié)構(gòu)中的晶體管的柵極上的電壓，并藉此 防止柵極過驅(qū)動現(xiàn)象，提升靜電放電防護(hù)的能力。

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。